1、太阳能晶硅电池发展历程及其关键材料技术2.1 前言部分21 世纪以来，全球范围内的传统能源迅速短缺和环境污染日益严重，这两个问题成为了制约经济发展的主要问题。太阳能作为一种清洁、无污染的新能源，早已走进了人们的视野，太阳能发电及光伏产业近来受到了人们的高度重视。太阳能电池是利用光生伏特效应直接把太阳能转换成电能的一种器件。太阳能电池主要有块状太阳能电池和薄膜型太阳能电池两大类，其中硅太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池等。硅太阳能电池由于其转换效率比较高、性能稳定、原材料丰富等优点成为当今光伏产业中的重要支柱。太 阳 能 电 池 以 硅 材 料 为 主 的 主 要 原 因 ：对
2、 太 阳 能 电 池 材 料 一 般 的 要 求 ： 1、 半 导 体 材 料 的 禁 带 不 能 太 宽 ； 2、 要 有 较 高 的 光 电 转 换 效 率 ： 3、 材 料 本 身 对 环 境 不 造 成 污 染 ； 4、 材 料 便 于 工 业 化 生 产 且 材 料 性 能 稳 定 。基 于 以 上 几 个 方 面 考 虑 ， 硅 是 最 理 想 的 太 阳 能 电 池 材 料 ， 这 也是 太 阳 能 电 池 以 硅 材 料 为 主 的 主 要 原 因 。 但 随 着 新 材 料 的 不 断 开发 和 相 关 技 术 的 发 展 ， 以 其 它 材 料 为 基 础 的 太 阳 能
3、电 池 也 愈 来 愈显 示 出 诱 人 的 前 景 。 本 文 简 要 地 综 述 了 太 阳 能 电 池 的 种 类 及 其 研究 现 状 ， 并 讨 论 了 太 阳 能 电 池 的 发 展 及 趋 势 。本文就晶硅太阳能电池的发展历程及其关键材料技术展开介绍。2.2 主题部分2.2.1 太阳能电池发展历程从发现光伏现象，太阳能电池已经有近 170 多年的发展历史。1839 年法国人发现了光伏现象，38 年后才研制出第一片硒太阳电池，仅有 1%的转换效率，作为发电没能推广。1954 年美国贝尔实验室的3 位科学家才做出具有实用价值的单晶硅电池（4.5%） ，几年后迅速提升到 10%，这时主
4、要用于卫星、航天器（价格太高，每瓦要近2000 美圆） 。上世纪 70 年代后，由于化石能源危机（石油、煤炭） ，再生能源被各国重视，尤其是太阳能电池，此时的工艺、材料研究得到迅速发展，从 1995 年以后，太阳能电池以每年 35%的年增长幅度高速发展。价格也大幅度降低（24 美圆每瓦)最近 5 年是世界光伏电池快速增长几年，平均年增长速度超过40%。2004 年全球太阳能电池产量 1200MW，2005 年产量达到1650MW，比 2004 年增加 38%。转换效率常规生产单晶 15.5%、多晶14.5%，实验室达 24.8%。由于世界各国加大了对硅和生产工艺的研究，加上地球硅材料及其丰富，
5、有人预计，太阳能发电 21 世纪中叶将占整个能源市场的20%-50%。2.2.2 太阳能晶硅电池关键材料技术晶体硅太阳能电池的基本原理晶体硅的发电过程：P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型 硅，形成P-N 结，当光线照射到硅晶体的表面时，一 部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子， 使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N 结两侧聚 集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作 用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。硅材料简介硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点2300，沸点3658，密
6、度2.34克/厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。）、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴。P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子汇扩散到P区，P区的空穴
7、会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个有N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。晶体硅太阳能电池的技术解析1.1 表面织构减少入射光学损失是提高电池效率最直接方法。化学腐蚀工艺是最成熟的产业化生产技术，也是行业内最广泛使用的技术，工艺门槛低、产量大；但绒面质量不易控制、不良率高，且减反射效果有限（腐蚀后的反射率一般仍在 11%以上），并产生大量的化学废液和酸碱气体，非环境友好型
8、生产方式。反应离子刻蚀技术（RIE）是最有发展前景的技术。1.2 发射区扩散PN 结特性决定了太阳能电池的性能！传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂，且为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。但研究发现表面杂质浓度过高导致扩散区能带收缩、晶格畸变、缺陷增加、“死层”明显、电池短波响应差。PN 结技术是国际一流电池制造企业与国内电池企业的主要技术差距。1.3 去边技术产业化的周边 PN 结去除方式是等离子体干法刻蚀，该方法技术成熟、产量大，但存在过刻、钻刻及不均匀的现象，不仅影响电池的转换效率，而且导致电池片蹦边、色差与缺角等不良率上升。激光开槽隔离技术根据 PN 结深度而在硅片边缘开
9、一物理隔离槽，但与国外情况相反，据国内使用情况来看电池效率反而不及等离子体刻蚀技术，因此该方法有待进一步研究。1.4 表面减反射膜生长技术早期采用 TiO2 膜或 MgF2/ZnS 混合膜以增加对入射光的吸收，但该方法均需先单独采用热氧化方法生长一层 1020umSiO2 使硅片表面非晶化、且对多晶效果不理想。1.5 丝网印刷与金属浆料技术丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术，其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。电极浆料技术进步是提升电池效率的捷径，也是一些实验室技术向产业化转换的关键。根据电池表面扩散薄层方块电阻、扩散结深以及表面减反射膜厚度与密度等开发相对应的浆料
10、已经成为国际一流光伏企业领先同行的一个有力武器。晶体硅太阳能电池的分类介绍单晶硅材料：单晶硅材料制造要经过如下过程：石英砂冶金级硅提纯和精炼沉积多晶硅锭单晶硅硅片切割。硅主要以 SiO2 形式存在于石英和沙子中。它的制备主要是在电弧炉中用碳还原石英砂而成。该过程能量消耗很高，所以硅的生产通常在水电过剩的地方进行。典型的半导体级硅的制备过程：粉碎的冶金级硅在硫化床反应器中与 HCI 气体，混合并反应生成生成三氯氢硅和氢气，Si3HCISiHC13H2。接着，通过精馏使 SiHC13 与其它氯化物分离，经过精馏的 SiHCl3，其杂质水平可低于 10-10的电子级硅要求。提纯后的 SiHC13 通
11、过 CVD 原理制备出多晶硅锭。基于同样原理可开发出另一种提纯方法，即在硫化床反应器中，用 Si 烷在很小的Si 球表面上原位沉积出 Si。此法沉积出的 Si 粉未颗粒只有十分之几毫米，可用作 CZ 直拉单晶的投炉料或直接制造 Si 带。拉制单晶有 CZ 法（柑祸拉制）和区熔法两种。多晶硅材料：由于硅材料占太阳电池成本中的绝大部分，降低硅材料的成本是光伏应用的关键。浇铸多晶硅技术是降低成本的重要途径之一，该技术省去了昂贵的单晶拉制过程，也能用较低纯度的硅作投炉料，材料及电能消耗方面都较省。1）铸锭工艺：铸锭工艺主要有定向凝固法和浇铸法两种。定向凝固法是将硅料放在柑塌中加以熔融，然后将柑塌从热场
12、中逐渐下降或从增蜗底部通上冷源以造成一定的温度梯度，使固液界面从柑蜗底部向上移动而形成晶锭。定向凝固法中有一种称为热交换法（HEM） ，在柑祸底部通入气体冷源来形成温度梯度。浇铸法是将熔化后的硅液从增祸中倒入另一模具中凝固以形成晶锭，铸出硅锭呈方形，切成的硅片一般尺寸为 10cmXl0cm，平均晶粒尺寸从毫米到厘米。2）多晶硅结构及材料性能 ：采用计算机图象仪可对硅片缺陷及少子寿命等参数进行面扫描，这对观察多晶硅材料性能、结构及进行系统分析具有很大帮助。针对特有的铸锭工艺来分析氧、碳含量及其对电性能的影响是提高硅片质量的重要手段。在扫描电镜上加EB1C（电子束感应电流法）功能部件对样品进行扫描
13、对了解晶体硅电池因缺陷、晶界、杂质的局部影响十分有效。3）硅片加工技术： 常规的硅片切割采用内圆切片机，其刀损为03 一 035mm，使晶体硅切割损失较大，且大硅片不易切得很薄。近几年，多线切割机的使用对晶体硅片的成本下降具有明显作用。多线切割机采用钢丝带动碳化硅磨料来进行切割硅片，切损只有022mm，硅片可切薄到 02mm，且切割的损伤小，可减少腐蚀的深度。一般可减少 V4 硅材料的损失。目前先进的大公司基本上都采用该设备。一台设备可切割 2 一 4MW年的硅片。近期研究出可将85的碳化硅磨料及油液经过离心机分离后重复使用工艺，可进一步降低材料消耗。2.3 总结部分在能源危机、环境问题日益严
14、重的今天, 对太阳能的利用、对太阳能电池的研究和开发必将成为世界的潮流。硅作为光伏市场最主要的光电转换材料, 其主导地位不容撼动。随着市场的发展, 高转换效率、低成本化将是今后硅太阳能电池发展的主要方向。在这方面,随着各生长加工处理技术的进步与改善, 多晶硅、硅带、晶态薄膜硅以其高性价比的优势必将得到长足发展, 成为今后通用光伏市场的主打材料。晶体硅太阳能电池的发展趋势：以硅片为载体的光伏电池制造技术，其理论极限效率为 29。近年来由于一系列新技术的突破，硅太阳能电池转换效率产业化水平单晶 16%18、多晶 15%17，按目前的晶体硅电池效率路线图与电池技术，提升效率的难度已经非常大。因此有人
15、预言硅电池的市场生命周期，但产品市场生命力的决定因素是其性价比，就如半导体集成电路一样近一个世纪了仍然离不开硅基，晶体硅太阳能电池作为光伏发电主要材料的现状不会改变，市场主导地位将继续延续！其特征将会是向着高效率、大尺寸、超薄化、长寿命方向发展。随着我们对半导体材料与光伏技术研究的不断深入，必将会不断诞生一些突破性的技术来巅覆传统、提升太阳能电池的效率、降低系统发电成本，实现光伏发电从补充能源向主流能源的跃进！只是以前这些技术都由国外企业与机构产生。可以预见通过中国广大“光伏人”的努力，今后这些革命性的技术突破将会在我们中国本土企业与科研机构中产生！2.4 参考文献 1.黄锋，陈瑞润，郭景杰，丁宏升，毕维生 傅恒志太阳能电池用硅材料的研究现状与发展趋势哈尔滨工业大学材料科学与工程学院专题论述特种铸造及有色合金 2008 年第 28 卷第 12 期2 维库电子通，晶体硅太阳能电池3.百度百科，晶体硅太阳能电池4.道客巴巴，晶体硅太阳能电池简介
